Google V8 引擎原理详解

水深无声 2022-06-06 07:09 242阅读 0赞

V8 引擎概览

V8 引擎简介

Google V8 引擎使用 C++ 代码编写，实现了 ECMAScript 规范的第五版，可以运行在所有的主流

操作系统中，甚至可以运行在移动终端 ( 基于 ARM 的处理器，如 HTC G7 等 )。V8 最早被开发用以嵌入到 Google 的开源浏览器 Chrome 中，但是 V8 是一个可以独立的模块，完全可以嵌入您自己的应用，著名的 Node.js( 一个异步的服务器框架，可以在服务端使用 JavaScript 写出高效的网络服务器 ) 就是基于 V8 引擎的。

和其他 JavaScript 引擎一样，V8 会编译 / 执行 JavaScript 代码，管理内存，负责垃圾回收，与宿主语言的交互等。V8 的垃圾回收器采用了众多技术，使得其运行效率大大提高。通过暴露宿主对象 ( 变量，函数等 ) 到 JavaScript，JavaScript 可以访问宿主环境中的对象，并在脚本中完成对宿主对象的操作。

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V8 引擎基本概念

**图 1. V8 引擎基本概念关系图 ( 根据 Google V8 官方文档 )**  
![图 1. V8 引擎基本概念关系图 ( 根据 Google V8 官方文档 )][1. V8 _ _ _ Google V8 _]

handle

handle 是指向对象的指针，在 V8 中，所有的对象都通过 handle 来引用，handle 主要用于 V8 的垃圾回收机制。

在 V8 中，handle 分为两种：持久化 (Persistent)handle 和本地 (Local)handle，持久化 handle 存放在堆上，而本地 handle 存放在栈上。这个与 C/C++ 中的堆和栈的意义相同 ( 简而言之，堆上的空间需要开发人员自己申请，使用完成之后显式的释放；而栈上的为自动变量，在退出函数 / 方法之后自动被释放 )。持久化 handle 与本地 handle 都是 Handle 的子类。在 V8 中，所有数据访问均需要通过 handle。需要注意的是，使用持久化 handle 之后，需要显式的调用 Dispose() 来通知垃圾回收机制。

作用域 (scope)

scope 是 handle 的集合，可以包含若干个 handle，这样就无需将每个 handle 逐次释放，而是直接释放整个 scope。

在使用本地 handle 时，需要声明一个 HandleScope 的实例，scope 是 handle 的容器，使用 scope，则无需依次释放 handle。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre> HandleScope handle_scope; 
 Local&lt;ObjectTemplate&gt; temp; 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

上下文 (context)

context 是一个执行器环境，使用 context 可以将相互分离的 JavaScript 脚本在同一个 V8 实例中运行，而互不干涉。在运行 JavaScript 脚本是，需要显式的指定 context 对象。

数据及模板

由于 C++ 原生数据类型与 JavaScript 中数据类型有很大差异，因此 V8 提供了 Data 类，从 JavaScript 到 C++，从 C++ 到 JavaScrpt 都会用到这个类及其子类，比如：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre> Handle&lt;Value&gt; Add(const Arguments&amp; args){ 
	 int a = args[0]-&gt;Uint32Value(); 
	 int b = args[1]-&gt;Uint32Value();

return Integer::New(a+b); 
 } 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

Integer 即为 Data 的一个子类。

V8 中，有两个模板 (Template) 类 ( 并非 C++ 中的模板类 )：对象模板 (ObjectTempalte) 和函数模板 (FunctionTemplate)，这两个模板类用以定义 JavaScript 对象和 JavaScript 函数。我们在后续的小节部分将会接触到模板类的实例。通过使用 ObjectTemplate，可以将 C++ 中的对象暴露给脚本环境，类似的，FunctionTemplate 用以将 C++ 函数暴露给脚本环境，以供脚本使用。

初始化 context 是使用 V8 引擎所必需的过程，代码非常简单：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre> Persistent&lt;Context&gt; context = Context::New(); 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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V8 引擎使用示例

有了上面所述的基本概念之后，我们来看一下一个使用 V8 引擎的应用程序的基本流程：

1.  创建 HandleScope 实例
2.  创建一个持久化的 Context
3.  进入 Context
4.  创建脚本字符串
5.  创建 Script 对象，通过 Script::Compile()
6.  执行脚本对象的 Run 方法
7.  获取 / 处理结果
8.  显式的调用 Context 的 Dispose 方法

基本代码模板

**清单 1. 代码模块**

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>				
 #include &lt;v8.h&gt;

using namespace v8;

int main(int argc, char *argv[]) { 
	 // 创建一个句柄作用域 ( 在栈上 ) 
	 HandleScope handle_scope;

// 创建一个新的上下文对象
	 Persistent&lt;Context&gt; context = Context::New();

// 进入上一步创建的上下文，用于编译执行 helloworld 
	 Context::Scope context_scope(context);

// 创建一个字符串对象，值为'Hello, Wrold!', 字符串对象被 JS 引擎
	 // 求值后，结果为'Hello, World!'
	 Handle&lt;String&gt; source = String::New("'Hello' + ', World!'");

// 编译字符串对象为脚本对象
	 Handle&lt;Script&gt; script = Script::Compile(source);

// 执行脚本，获取结果
	 Handle &lt;Value&gt; result = script-&gt;Run();

// 释放上下文资源
	 context.Dispose();

// 转换结果为字符串
	 String::AsciiValue ascii(result);

printf("%s\n", *ascii);

return 0; 
 } 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

以上代码为一个使用 V8 引擎来运行脚本的基本模板，可以看到，开发人员可以很容易的在自己的代码中嵌入 V8 来处理 JavaScript 脚本。我们在下面小节中详细讨论如何在脚本中访问 C++ 资源。

使用 C++ 变量

在 JavaScript 与 V8 间共享变量事实上是非常容易的，基本模板如下：

**清单 2. 共享变量**

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>				
 static type xxx;

static Handle&lt;Value&gt; xxxGetter( 
	 Local&lt;String&gt; name, 
	 const AccessorInfo&amp; info){

//code about get xxx 
 }

static void xxxSetter( 
	 Local&lt;String&gt; name, 
	 Local&lt;Value&gt; value, 
	 const AccessorInfo&amp; info){

//code about set xxx 
 } 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

首先在 C++ 中定义数据，并以约定的方式定义 getter/setter 函数，然后需要将 getter/setter 通过下列机制公开给脚本：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre> global-&gt;SetAccessor(String::New("xxx"), xxxGetter, xxxSetter); 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

其中，global 对象为一个全局对象的模板：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre> Handle&lt;ObjectTemplate&gt; global = ObjectTemplate::New(); 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

下面我们来看一个实例：

**清单 3. 实例 1**

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>				
 static char sname[512] = {0};

static Handle&lt;Value&gt; NameGetter(Local&lt;String&gt; name, 
		 const AccessorInfo&amp; info) { 
	 return String::New((char*)&amp;sname,strlen((char*)&amp;sname)); 
 }

static void NameSetter(Local&lt;String&gt; name, 
		 Local&lt;Value&gt; value, 
		 const AccessorInfo&amp; info) { 
	 Local&lt;String&gt; str = value-&gt;ToString(); 
	 str-&gt;WriteAscii((char*)&amp;sname); 
 } 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

定义了 NameGetter, NameSetter 之后，在 main 函数中，将其注册在 global 上：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre> // Create a template for the global object. 
 Handle&lt;ObjectTemplate&gt; global = ObjectTemplate::New();

//public the name variable to script 
 global-&gt;SetAccessor(String::New("name"), NameGetter, NameSetter);

在 C++ 中，将 sname 的值设置为”cpp”：

//set sname to "cpp" in cpp program 
 strncpy(sname, "cpp", sizeof(sname));

然后在 JavaScript 中访问该变量，并修改：

print(name);

//set the variable `name` to "js"
 name='js'; 
 print(name); 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

运行结果如下：

运行脚本，第一个 print 调用会打印在 C++ 代码中设置的 name 变量的值：cpp，然后我们在脚本中修改 name 值为：js，再次调用 print 函数则打印出设置后的值：js。

调用 C++ 函数

在 JavaScript 中调用 C++ 函数是脚本化最常见的方式，通过使用 C++ 函数，可以极大程度的增强 JavaScript 脚本的能力，如文件读写，网络 / 数据库访问，图形 / 图像处理等等，而在 V8 中，调用 C++ 函数也非常的方便。

在 C++ 代码中，定义以下原型的函数：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre> Handle&lt;Value&gt; function(<strong>const</strong>Arguments&amp; args){ 
	 //return something 
 } 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

然后，再将其公开给脚本：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre> global-&gt;Set(String::New("function"),FunctionTemplate::New(function)); 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

同样，我们来看两个示例：

**清单 4. 实例 2**

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>				
 Handle&lt;Value&gt; Add(const Arguments&amp; args){ 
	 int a = args[0]-&gt;Uint32Value(); 
	 int b = args[1]-&gt;Uint32Value();

return Integer::New(a+b); 
 }

Handle&lt;Value&gt; Print(const Arguments&amp; args) { 
	 bool first = true; 
	 for (int i = 0; i &lt; args.Length(); i++) { 
		 HandleScope handle_scope; 
		 if (first) { 
			 first = false; 
		 } else { 
			 printf(" "); 
		 } 
		 String::Utf8Value str(args[i]); 
		 const char* cstr = ToCString(str); 
		 printf("%s", cstr); 
	 } 
	 printf("\n"); 
	 fflush(stdout); 
	 return Undefined(); 
 } 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

函数 Add 将两个参数相加，并返回和。函数 Print 接受任意多个参数，然后将参数转换为字符串输出，最后输出换行。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre> global-&gt;Set(String::New("print"), FunctionTemplate::New(Print)); 
 global-&gt;Set(String::New("add"), FunctionTemplate::New(Add)); 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

我们定义以下脚本：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre> var x = (function(a, b){ 
	 return a + b; 	
 })(12, 7);

print(x);

//invoke function add defined in cpp 
 var y = add(43, 9); 
 print(y); 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

运行结果如下：

使用 C++ 类

如果从面向对象的视角来分析，最合理的方式是将 C++ 类公开给 JavaScript，这样可以将 JavaScript 内置的对象数量大大增加，从而尽可能少的使用宿主语言，而更大的利用动态语言的灵活性和扩展性。事实上，C++ 语言概念众多，内容繁复，学习曲线较 JavaScript 远为陡峭。最好的应用场景是：既有脚本语言的灵活性，又有 C/C++ 等系统语言的效率。使用 V8 引擎，可以很方便的将 C++ 类”包装”成可供 JavaScript 使用的资源。

我们这里举一个较为简单的例子，定义一个 Person 类，然后将这个类包装并暴露给 JavaScript 脚本，在脚本中新建 Person 类的对象，使用 Person 对象的方法。

首先，我们在 C++ 中定义好类 Person：

**清单 5. 定义类**

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>				
 class Person { 
 private: 
	 unsigned int age; 
	 char name[512];

public: 
	 Person(unsigned int age, char *name) { 
		 this-&gt;age = age; 
		 strncpy(this-&gt;name, name, sizeof(this-&gt;name)); 
	 }

unsigned int getAge() { 
		 return this-&gt;age; 
	 }

void setAge(unsigned int nage) { 
		 this-&gt;age = nage; 
	 }

char *getName() { 
		 return this-&gt;name; 
	 }

void setName(char *nname) { 
		 strncpy(this-&gt;name, nname, sizeof(this-&gt;name)); 
	 } 
 }; 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

Person 类的结构很简单，只包含两个字段 age 和 name，并定义了各自的 getter/setter. 然后我们来定义构造器的包装：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre> Handle&lt;Value&gt; PersonConstructor(const Arguments&amp; args){ 
	 Handle&lt;Object&gt; object = args.This(); 
	 HandleScope handle_scope; 
	 int age = args[0]-&gt;Uint32Value();

String::Utf8Value str(args[1]); 
	 char* name = ToCString(str);

Person *person = new Person(age, name); 
	 object-&gt;SetInternalField(0, External::New(person)); 
	 return object; 
 } 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

从函数原型上可以看出，构造器的包装与上一小节中，函数的包装是一致的，因为构造函数在 V8 看来，也是一个函数。需要注意的是，从 args 中获取参数并转换为合适的类型之后，我们根据此参数来调用 Person 类实际的构造函数，并将其设置在 object 的内部字段中。紧接着，我们需要包装 Person 类的 getter/setter：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre> Handle&lt;Value&gt; PersonGetAge(const Arguments&amp; args){ 
	 Local&lt;Object&gt; self = args.Holder(); 
	 Local&lt;External&gt; wrap = Local&lt;External&gt;::Cast(self-&gt;GetInternalField(0));

void *ptr = wrap-&gt;Value();

return Integer::New(static_cast&lt;Person*&gt;(ptr)-&gt;getAge()); 
 }

Handle&lt;Value&gt; PersonSetAge(const Arguments&amp; args) 
 { 
	 Local&lt;Object&gt; self = args.Holder(); 
	 Local&lt;External&gt; wrap = Local&lt;External&gt;::Cast(self-&gt;GetInternalField(0));

void* ptr = wrap-&gt;Value();

static_cast&lt;Person*&gt;(ptr)-&gt;setAge(args[0]-&gt;Uint32Value()); 
	 return Undefined(); 
 } 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

而 getName 和 setName 的与上例类似。在对函数包装完成之后，需要将 Person 类暴露给脚本环境：

首先，创建一个新的函数模板，将其与字符串”Person”绑定，并放入 global：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre> Handle&lt;FunctionTemplate&gt; person_template = FunctionTemplate::New(PersonConstructor); 
 person_template-&gt;SetClassName(String::New("Person")); 
 global-&gt;Set(String::New("Person"), person_template); 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

然后定义原型模板：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre> Handle&lt;ObjectTemplate&gt; person_proto = person_template-&gt;PrototypeTemplate();

person_proto-&gt;Set("getAge", FunctionTemplate::New(PersonGetAge)); 
 person_proto-&gt;Set("setAge", FunctionTemplate::New(PersonSetAge));

person_proto-&gt;Set("getName", FunctionTemplate::New(PersonGetName)); 
 person_proto-&gt;Set("setName", FunctionTemplate::New(PersonSetName)); 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

最后设置实例模板：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre> Handle&lt;ObjectTemplate&gt; person_inst = person_template-&gt;InstanceTemplate(); 
 person_inst-&gt;SetInternalFieldCount(1); 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

随后，创建一个用以测试的脚本：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre> //global function to print out detail info of person 
 function printPerson(person){ 
    print(person.getAge()+":"+person.getName()); 
 }

//new a person object 
 var person = new Person(26, "juntao");

//print it out 
 printPerson(person);

//set new value 
 person.setAge(28); 
 person.setName("juntao.qiu");

//print it out 
 printPerson(person); 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

运行得到以下结果：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre> 26:juntao 
 28:juntao.qiu 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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简单示例

在这一小节中，我们将编写一个简单的桌面计算器：表达式求值部分通过 V8 引擎来进行，而流程控制部分则放在 C++ 代码中，这样可以将表达式解析等复杂细节绕开。同时，我们还得到了一个额外的好处，用户在脚本中可以自定义函数，从而可以在计算器中定义自己的运算规则。

桌上计算器

计算器程序首先进入一个 MainLoop，从标准输入读取一行命令，然后调用 V8 引擎去求值，然后将结果打印到控制台，然后再进入循环：

**清单 6. 桌面计算器示例**

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre>				
 void MainLoop(Handle&lt;Context&gt; context) { 
	 while(true) { 
		 char buffer[1024] = {0}; 
		 printf("$ "); 
		 char *str = fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin); 
		 if(str == NULL) { 
			 break; 
		 } 
		 HandleScope handle_scope; 
		 ExecuteString(String::New(str), String::New("calc"), true); 
	 } 
 } 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

在 main 函数中设置全局对象，创建上下文对象，并进入 MainLoop：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre> int main(int argc, char *argv[]){ 
	 HandleScope handle_scope;

// Create a template for the global object. 
	 Handle&lt;ObjectTemplate&gt; global = ObjectTemplate::New();

// Expose the local functions to script 
	 global-&gt;Set(String::New("load"), FunctionTemplate::New(Load)); 
	 global-&gt;Set(String::New("print"), FunctionTemplate::New(Print)); 
	 global-&gt;Set(String::New("quit"), FunctionTemplate::New(Quit));

// Create a new execution environment containing the built-in 
	 // functions 
	 Handle&lt;Context&gt; context = Context::New(NULL, global);

// Enter the newly created execution environment. 
	 Context::Scope context_scope(context);

// Enter main loop 
	 MainLoop(context);

V8::Dispose();

return 0; 
 } 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

在 main 函数中，为脚本提供了三个函数，load 函数用以将用户指定的脚本加载进来，并放入全局的上下文中一边引用，print 函数用以打印结果，而 quit 提供用户退出计算器的功能。

测试一下：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre> $ 1+2 
 3

$ (10+3)/(9.0-5) 
 3.25

$ typeof print 
 function

$ typeof non 
 undefined

// 自定义函数
 $ function add(a, b){return a+b;} 
 $ add(999, 2323) 
 3322

// 查看 print 标识符的内容
 $ print 
 function print() { [native code] } 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

load 函数提供了用户自定义函数的功能，将脚本文件作为一个字符串加载到内存，然后对该字符串编译，求值，并将处理过的脚本对象放入当前 context 中，以便用户使用。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre> Handle&lt;Value&gt; Load(const Arguments&amp; args){ 
	 if(args.Length() != 1){ 
		 return Undefined(); 
	 }

HandleScope handle_scope; 
	 String::Utf8Value file(args[0]);

Handle&lt;String&gt; source = ReadFile(*file); 
	 ExecuteString(source, String::New(*file), false);

return Undefined(); 
 }

而 ExecuteString 函数，负责将字符串编译运行：

bool ExecuteString(Handle&lt;String&gt; source, 
				   Handle&lt;Value&gt; name, 
				   bool print_result) 
 { 
	 HandleScope handle_scope; 
	 TryCatch try_catch; 
	 Handle&lt;Script&gt; script = Script::Compile(source, name); 
	 if (script.IsEmpty()) { 
		 return false; 
	 } else { 
		 Handle&lt;Value&gt; result = script-&gt;Run(); 
		 if (result.IsEmpty()) { 
			 return false; 
		 } else { 
			 if (print_result &amp;&amp; !result-&gt;IsUndefined()) { 
				 String::Utf8Value str(result); 
				 const char* cstr = ToCString(str); 
				 printf("%s\n", cstr); 
			 } 
			 return true; 
		 } 
	 } 
 } 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

将下列内容存入一个文本文件，并命令为 calc.js：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre> function sum(){ 
	 var s = 0; 
	 for(var i = 0; i &lt; arguments.length; i++){ 
		 s += arguments[i]; 
	 } 
	 return s; 
 }

function avg(){ 
	 var args = arguments; 
	 var count = args.length; 
	 var sum = 0; 
	 for(var i = 0; i &lt; count; i++){ 
		 sum += args[i]; 
	 } 
	 return sum/count; 
 } 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

然后在计算器中测试：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre> // 此时 sum 符号位定义
 $ typeof sum 
 undefined

// 加载文件，并求值
 $ load("calc.js")

// 可以看到，sum 的类型为函数
 $ typeof sum 
 function

$ sum(1,2,3,4,5,6,7,8,9) 
 45 
</pre> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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结束语

使用 V8 引擎，可以轻松的将脚本的好处带进 C++ 应用，使得 C++ 应用更具灵活性，扩展性。我们在文中讨论了基本的模板，如何使用 C++ 变量，函数，以及类。最后的实例中给出了一个计算器的原型。由于 V8 的设计原则，开发人员可以快速的将其嵌入到自己的应用中，并且无需太过担心脚本语言的执行效率.

[Link 1]: http://www.chineselinuxuniversity.net/articles/50976.shtml#ibm-pcon
[1. V8 _ _ _ Google V8 _]: /images/20220606/d64eba830fa444dfa5c1798cb5ef2f6d.png